CN102253450A - 集成光波导马赫－泽德干涉型传感芯片的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作方法，包括：取一SOI基片；在SOI基片的顶层硅上涂光刻胶，利用光刻的技术在光刻胶上形成图形；利用感应耦合等离子体刻蚀工艺，在顶层硅上刻蚀出脊形光波导结构，去掉脊形光波导结构上的光刻胶；利用等离子体增强化学气相沉淀技术，在脊形光波导结构的表面淀积一层二氧化硅层；再在二氧化硅层的表面涂光刻胶层，利用光刻的技术在光刻胶层上形成图形；利用湿法刻蚀工艺，在二氧化硅层上得到敏感窗口，形成基片；对基片进行划片、抛光处理，得到芯片单元；利用旋涂法，将二氧化锡溶胶均匀涂覆在芯片单元的表面；对涂覆有二氧化锡溶胶的芯片单元进行退火处理；在退火后的芯片单元两端用紫外固化胶粘上光纤阵列。

Description

集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作方法
技术领域
本发明涉及光波导传感领域，尤其涉及一种基于马赫-泽德干涉型光波导传感芯片的制作方法，可以用于各种有毒有害气体的高精度、连续检测。 
背景技术
在人类居住环境，有可能发生非正常的、不可抗拒的突发性环境污染事故(如生产事故、贮运事故、自然灾害、人类战争等)，突发性环境污染事故往往在很短的时间内造成大量的人员伤亡、重大的经济损失、社会的不安定和恐慌、局部地区生态的严重破坏等。 
突发性污染事故几率很小、发生突然、污染物扩散迅速，后果严重，使得环境监测、处理处置非常困难，成为环境监测研究中的重点和难点。人居环境污染物通常处于痕量级(mg/Kg、μg/Kg)甚至更低，并且基体复杂、流动性、变异性大，又涉及空间分布及变化，因此对分析的灵敏度、准确度、分辨率和分析速度提出了很高的要求。 
集成光波导传感技术利用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上形成集成光路。与基于电信号的传感器相比，集成光波导传感技术是以光为载体、硅基光波导、波导光栅和超敏感介质为媒质，感知和传输外界信号的新型传感技术。具有灵敏度高、器件结构紧凑、体积小、选择性高、响应恢复速度快、可单片集成等优势，符合现代传感器微型化、阵列化、智能化、网络化的发展趋势。 
马赫-泽德干涉仪是最易实现的光波导干涉传感方案，它不仅克服了表面等离子体和光栅传感器在高度集成化和微型化发展中所受到的限制，并且易于形成多通道实时、连续检测，抗外界干扰能力强。 
发明内容
本发明的目的在于提供集成光波导马赫-泽德型传感芯片的制作方法，以实现有毒有害气体的检测。本发明与现有技术相比，具有制作工艺简单，可规模化生产、可实现连续、稳定测量等特点。 
为实现上述目的，本发明提供一种集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作方法，包括如下步骤： 
步骤1：取一SOI基片，该SOI基片包括硅衬底、二氧化硅和顶层硅； 
步骤2：在SOI基片的顶层硅上涂光刻胶，利用光刻的技术在光刻胶上形成图形； 
步骤3：利用感应耦合等离子体刻蚀工艺，在顶层硅上刻蚀出脊形光波导结构，去掉脊形光波导结构上的光刻胶； 
步骤4：利用等离子体增强化学气相沉淀技术，在脊形光波导结构的表面淀积一层二氧化硅层； 
步骤5：再在二氧化硅层的表面涂光刻胶层，利用光刻的技术在光刻胶层上形成图形； 
步骤6：利用湿法刻蚀工艺，在二氧化硅层上得到敏感窗口，形成基片； 
步骤7：对基片进行划片、抛光处理，得到芯片单元； 
步骤8：利用旋涂法，将二氧化锡溶胶均匀涂覆在芯片单元的表面； 
步骤9：对涂覆有二氧化锡溶胶的芯片单元进行退火处理； 
步骤10：在退火后的芯片单元两端用紫外固化胶粘上光纤阵列。 
其中所述的脊形光波导结构为光的单模传输。 
其中二氧化锡溶胶为掺杂金属离子的气敏性的二氧化锡材料。 
其中光刻胶为AZ6130光刻胶，其厚度为1.5-2.0μm。 
其中二氧化硅层的厚度为1-3μm。 
其中光刻胶层为AZ5200光刻胶，其厚度为1.5-2.0μm。 
其中脊形光波导结构的宽度为3.8-4.5μm，其脊形高度为2.1-2.5μm。 
附图说明：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中： 
图1为本发明的制作流程方框图； 
图2为集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作工艺流程图； 
图3为封装后的集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的结构示意图。 
具体实施方式
请参阅图1、图2和图3所示，本发明提供集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作方法，包括如下步骤： 
步骤1：取一SOI基片，该SOI基片包括硅衬底11、二氧化硅12和顶层硅13(参阅图2)； 
步骤2：在SOI基片的顶层硅13上涂光刻胶2(参阅图2)，利用光刻的技术在光刻胶2上形成图形，所述光刻胶2为AZ6130光刻胶，其厚度为1.5-2.0μm(本实施例为1.7μm)。首先将涂有光刻胶2的SOI基片放在烘板上，温度设置为110℃，烘烤5min，其作用是促使溶剂挥发，增加光刻胶2与SOI基片之间的附着。然后将烘烤后的SOI基片放入MA6/BA6双面光刻机中曝光12S，最后用镊子把曝光后的SOI基片放入显影液(四甲基二戊酮(MIBK)∶异丙醇(IPA)＝1∶3的溶液)杯中显影20s，显影完后，先用去离子水轻轻漂洗，然后用N2小流量地吹干。显影后的SOI基片应该迅速放入110℃的烘箱中烘20min。其目的是通过加温烘烤使得光刻胶2更加牢固的粘附在SOI基片表面上，并且增加光刻胶2的抗刻蚀能力； 
步骤3：利用感应耦合等离子体刻蚀工艺，在顶层硅13上刻蚀出脊形光波导结构21(参阅图2)，去掉脊形光波导结构21上的光刻胶2，其中所述的脊形光波导结构21为光的单模传输，该脊形光波导结构21的宽度为3.8-4.5μm(本实施例为4.5μm)，其脊形高度为2.1-2.5μm(本实施例为2.35μm)； 
步骤4：利用等离子体增强化学气相沉淀技术，在脊形光波导结构21的表面淀积一层二氧化硅层3(参阅图2)，该二氧化硅层3的厚度为1-3 μm(本实施例为2μm)； 
步骤5：再在二氧化硅层3的表面涂光刻胶层4(参阅图2)，利用光刻的技术在光刻胶层4上形成图形，该光刻胶层4为AZ5200光刻胶，其厚度为1.5-2.0μm(本实施例为1.8μm)。首先将涂有光刻胶层4的SOI基片放在烘板上，75℃烘烤5min。然后将烘烤后的SOI基片放入MA6/BA6双面光刻机中曝光25s，将曝光后的SOI基片放入烘板上，95℃烘烤5min。最后再次将经过上述处理的SOI基片放入MA6/BA6双面光刻机中曝光35s，用镊子把两次曝光后的SOI基片放入显影液杯中显影30s，显影完后，先用去离子水轻轻漂洗，然后用N2小流量地吹干。显影后的SOI基片应该迅速放入110℃的烘箱中烘20min； 
步骤6：利用湿法刻蚀工艺，在二氧化硅层3上得到敏感窗口5(参阅图2)，形成基片。此处采用的是常规二氧化硅缓冲液腐蚀，常温下将两次光刻后的SOI基片放入腐蚀液中浸泡5min左右即可将敏感窗口5上面的二氧化硅层3刻蚀掉； 
步骤7：对基片进行划片、抛光处理，得到芯片单元6(参阅图2、图3所示)； 
步骤8：利用旋涂法，将二氧化锡溶胶均匀涂覆在芯片单元6的表面，所述二氧化锡溶胶为掺杂金属离子的气敏性的二氧化锡材料。其制作流程如下所述：用SnCl4·5H2O为反应前躯体，无水乙醇作为共溶剂，混合搅拌2个小时发生水解反应，然后加入去离子水、甘油以及金属离子化合物，其中去离子水是用来促进水解反应，甘油是用来增加二氧化锡溶胶与芯片单元6的粘合度，混合搅拌后静置，得到掺杂金属离子的二氧化锡溶胶。涂覆二氧化锡溶胶时匀胶机的转速为3500-4200rpm，时间为30s； 
步骤9：对涂覆有二氧化锡溶胶的芯片单元6进行退火处理。先将已涂覆二氧化锡溶胶的芯片单元6放入烘箱120℃干燥2个小时，然后将干燥后的芯片单元6放入退火炉500-600℃退火2个小时，得到修饰了敏感材料的芯片单元6。 
步骤10：在退火后的芯片单元6两端用紫外固化胶粘上光纤阵列7(参阅图3)。具体过程如下所述：将退火后的芯片单元6放置在光学对准光学平台上，通光后，当其输出光功率达到最大时，用紫外固化胶将光纤阵列 7粘在退火后的芯片单元6的两端。 
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：取一SOI基片，该SOI基片包括硅衬底、二氧化硅和顶层硅；
步骤2：在SOI基片的顶层硅上涂光刻胶，利用光刻的技术在光刻胶上形成图形；
步骤3：利用感应耦合等离子体刻蚀工艺，在顶层硅上刻蚀出脊形光波导结构，去掉脊形光波导结构上的光刻胶；
步骤4：利用等离子体增强化学气相沉淀技术，在脊形光波导结构的表面淀积一层二氧化硅层；
步骤5：再在二氧化硅层的表面涂光刻胶层，利用光刻的技术在光刻胶层上形成图形；
步骤6：利用湿法刻蚀工艺，在二氧化硅层上得到敏感窗口，形成基片；
步骤7：对基片进行划片、抛光处理，得到芯片单元；
步骤8：利用旋涂法，将二氧化锡溶胶均匀涂覆在芯片单元的表面；
步骤9：对涂覆有二氧化锡溶胶的芯片单元进行退火处理；
步骤10：在退火后的芯片单元两端用紫外固化胶粘上光纤阵列。
2.根据权利要求1所述的集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作方法，其中所述的脊形光波导结构为光的单模传输。
3.根据权利要求1所述的集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作方法，其中二氧化锡溶胶为掺杂金属离子的气敏性的二氧化锡材料。
4.根据权利要求1所述的集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作方法，其中光刻胶为AZ6130光刻胶，其厚度为1.5-2.0μm。
5.根据权利要求1所述的集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作方法，其中二氧化硅层的厚度为1-3μm。
6.根据权利要求1所述的集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作方法，其中光刻胶层为AZ5200光刻胶，其厚度为1.5-2.0μm。
7.根据权利要求1所述的集成光波导马赫-泽德干涉型传感芯片的制作方法，其中脊形光波导结构的宽度为3.8-4.5μm，其脊形高度为2.1-2.5μm。
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